不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术研究

杨钊，但龙，马君

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）

现代工业技术也在不断改进，很多企业开始采用不锈钢作为设备材料，不锈钢在工业用途中也越来越广，主要应用在一些需要防腐，防锈设备的主要材料构件上。但是，社会中不锈钢的价格比较高，比普通碳钢的价格高出很多，这就对企业的成本造成一定影响，所以很多企业从设备需要和经济性发展角度考虑，通常采用工业方法，就是将不锈钢和碳钢两种钢进行异种钢接头焊接。因此，研究和分析不锈钢与碳钢的异种钢焊接技术成为企业和研究者的重点工作[1]。

表1 不锈钢碳钢化学性分析

1 焊接性能分析

（1）物理性能。304L不锈钢丝属于纯奥氏体不锈钢中的一种超低碳不锈钢，内部含有成分较多的镍等合金元素，也就是通过这些稀有元素在金属设备表面形成一种氧化薄膜，这种膜具有不易溶解，坚固的特质，这样就可以将金属设备与外界进行隔离，有效防止发生化学反应，保障设备自身耐用性，提高耐腐蚀性，抗氧化性。同时增加机械性能，焊接性能，塑性，柔韧性和加工性能。生活中常见到的304L就是采用这种技术，其中Cr含量在18-20%之间，合理控制好Cr含量可以增加钢的奥氏体稳定性。工业中碳钢基本上碳素结构钢，物质内含碳量不高，具备加工性能，可焊接性能。

（2）化学性能。不锈钢和碳钢的化学成分如下。

2 不同材料焊接条件

工业上两种材料是否具有焊接性，能够直接焊接起来，是由材料内部原子和分子间的作用力决定，与物质处于何种物理状态关系不大。当两种物质是液态和固态时，并且相互之间无限互溶，这种金属间就可以进行焊接，并且形成新物质性能良好；当两种物质是液态和固态，但是液态无限互溶，固态却有限互溶，这种性质下金属可以进行焊接，但是形成新物质性能好坏与两种金属过渡状态性能有关；金属化学物和间隙化合物两种合金要进行焊接时，在焊接接头处新物质性能受到化合物脆性影响；但是，当两种金属是完全不相溶的状态时，进行焊接就不会成功，因此，工业上采用焊接手段首先要考察物质的性能，选择合适的材料，采用有效加工技术，大部分工业设备材料中，都是可以进行焊接的[2]。

3 焊接中遇到的问题

不锈钢和碳钢在化学性质上差异较大，在工业中将两种材料进行焊接技术就属于异种钢焊接，需要采用专业的工业技术措施。不锈钢的导热性能行比较碳钢较差，当从高温直接冷却至常温状态时就会产生冷裂纹现象，这种对新物质性能影响不好，同时因为热循环的作用，不锈钢出现过热倾向，晶粒容易粗化，很可能出现铁素体和碳化物组织，一旦冷却就会产生脆化结果。企业在进行焊接时，首先确认有焊接可能性，尤其是熔焊条件时，要确保有一个可用的焊接接头，当然在实际应用中还会遇见很多其他问题。

（1）熔点差异。不锈钢和碳钢材料熔点不一样，当焊接过程中，两种金属熔点相差较大时，就可能出现焊接性能降低，熔点较低的金属会产生金属流失，还有可能是蒸发和合金元素的大量烧损，这样就会产生很多实际操作问题。这种问题需要做好控制和预防，不然产生的最终的结果是不符合条件的焊接接头[3]。

（2）热导率和比热容差异。金属的热导率和比热容是现代工业中影响焊接技术重要因素，对被焊接材料的熔化和焊缝的凝固结晶。不锈钢热导率数值大约是碳钢的三分之一，明显差异相差很大，这样的差异就会导致两种金属物质熔化时间不同步，金属结合效果也不太好，工业生产中就会影响焊接过程，最终焊缝性能不良。

（3）线膨胀系数差异。不锈钢和碳钢线膨胀系数是不一样的，这种不同性能就会在焊接连接后促使两种金属冷却后产生不同反应焊缝收缩量不同，接头处就会出现高应力状态，这种状态对焊接有不好的作用，最终促使焊缝处或者热影响区域产生裂纹，甚至导致焊缝与金属剥离现象。

（4）电磁性差异。两种金属的电磁性差异不同，就有可能导致焊接连接时出现不稳定现象，不锈钢和碳钢的电磁性就存在很大差异，容易造成焊接电弧偏弧或者电弧燃烧不稳定结果，这样就会出现焊缝处变形变坏的最差结果[4]。

（5）形成脆性化合物。化学工业中，金属进行焊接后在焊缝处形成新物质，成为金属间化合物，这些物质有些物理属性较脆，就可能对接头处力学性能产生较大影响，甚至会降低焊缝处塑性和韧性。

有些金属焊接后，接头处性能良好，但是容易生成其他物质，比如在热影响区的晶界上形成一种贫铬层，这种物质含有碳化物，一旦产生，就会导致在使用过程中设备之间产生晶间腐蚀效果，企业生产中，为了避免产生一系列问题，就会采用低碳物质进行焊接。

4 焊接工艺措施

不锈钢和碳钢物质内含碳量比较低，不需要进行加热条件，常温就可以焊接，当焊接环境温度低于5度时，需要进行预热处理。同时板厚大于20毫米时，结构纲度就比较大，那就需要先进行预热，在焊接完成后最后进行消除应力热处理。企业在工业生产中需要获取无裂纹的焊接接头，就需要避免两种焊接金属差异性，确保不锈钢不出现稀释现象。

（1）选择焊接材料。不锈钢和碳钢进行焊接，焊接处金属化学成分是由填充金属决定，两种不同金属具有不同焊接属性，从调整焊缝和溶合区组织性能，改变焊接接头应力分布状况，抑制熔和区中碳扩散等方面进行研究，实现对结构使用性能最终目标结构，帮助焊缝金属的成分应力接近其中一种金属成分，一般工业中都是选择奥氏体不锈钢焊条A307。

（2）焊接接头坡口。焊接接头处会出现不同大小坡口，4毫米厚度不用开坡口，采取直接焊接方式进行，4-6毫米厚度，焊缝处直接进行双面焊接，不需要开坡口，6毫米以上就属于大数值，进行开坡口就需要确保焊接熔和区的性能，一般都是开V或者X形坡口[5]。

（3）焊接操作方法。工业中采用的焊接操作方法，总体上可以分为，一是采用手工弧焊方式，二是选择比较小的热输入，小的焊接电流，采取比较快的焊接速度，电流和速度要控制在合理范围，不引起工业失误，三是采用短弧焊，焊接时电弧要偏向碳钢材料方向，保障两侧金属材料受热均匀一致，确保两边受热一致，不出现问题，四是设备需要进行多层焊接时，要先确保前一层焊缝温度冷却至200-300度，然后在进行下一道焊缝处理。

（4）焊后要检验。工作人员进行焊接工作的最后一道程序是焊接后的检验工作，具体是指，在焊接工作完成后，对不锈钢和碳钢进行检验，这也是焊接技术的重要环节。检验主要是通过测量仪器对焊接外缝进行外观检测是否存有气孔，裂纹，焊瘤，咬边等不良效果，确保材料的焊接质量。这是非常重要焊接环节，可以有效发现焊接中出现问题，及时处理，提高焊接技术结果，提升设备有效率，企业要引起重视，提高生产设备合格率。

5 结束语

工业上进行不锈钢和碳钢异种金属焊接，需要采取合适的焊接技巧，规避焊接过程中可能遇到的各种问题，采取精细的工艺措施，同时焊接前要选取合适的焊接材料，焊接过程中要控制合适大额焊接预热温度，焊接电流和焊接速度，合理控制焊接工艺参数，最后进行焊后检验，确保获得良好的焊接效果。工业在焊接过程中采取科学，合理的焊接工艺，控制可能出现的问题，就可以做好问题预防，不产生裂纹，取得良好的焊接接头成果。